染整智能制造研究進(jìn)展

染整智能制造研究進(jìn)展

染色行業(yè)是紡織產(chǎn)業(yè)鏈的重要因素之一。它連接著服裝行業(yè)和流程行業(yè)。這是提高紡織產(chǎn)品額外價(jià)值的最直接過(guò)程。中國(guó)作為全球規(guī)模最大的染整制造基地,生產(chǎn)了全球半數(shù)以上的印染布;但中國(guó)的染整業(yè)大而不強(qiáng),產(chǎn)品以低附加值面料為主,而制造過(guò)程中所面臨的高能耗、高污染、高排放等問(wèn)題仍未得到有效解決。在經(jīng)歷了“十五”和“十一五”期間的爆發(fā)式增長(zhǎng)后,近年來(lái)受勞動(dòng)力成本、環(huán)保政策、市場(chǎng)需求等諸多因素的制約,染整業(yè)正面臨前所未有的結(jié)構(gòu)調(diào)整壓力,造成印染布產(chǎn)量自2011年開(kāi)始持續(xù)保持負(fù)增長(zhǎng)狀態(tài),智能制造、綠色制造和可持續(xù)發(fā)展正成為染整行業(yè)發(fā)展的主旋律。染整智能制造的實(shí)現(xiàn)是項(xiàng)系統(tǒng)工程,傳統(tǒng)染整裝備已無(wú)法滿足染整智能制造的發(fā)展需求。在革新染整工藝的基礎(chǔ)上,改造與提升染整裝備單機(jī)自動(dòng)化、數(shù)字化和智能化控制水平,繼而完善與實(shí)現(xiàn)染整全工藝鏈內(nèi)各類數(shù)據(jù)的信息化流轉(zhuǎn)和調(diào)度,最終達(dá)到染整產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同制造,是提升染整裝備效能、穩(wěn)定染整產(chǎn)品質(zhì)量、降低染整生產(chǎn)能源消耗與污染排放、實(shí)現(xiàn)染整智能制造與綠色制造最為有效的途徑。據(jù)此,本文將從染整裝備控制智能化、染整生產(chǎn)全流程信息化再造、染整產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同制造等3個(gè)方面系統(tǒng)討論染整智能制造的研究現(xiàn)狀,并針對(duì)其發(fā)展方向進(jìn)行展望。1工藝上的應(yīng)用染整加工是指采用燒毛、退煮漂、絲光、印花、蒸化、定形和預(yù)縮等連續(xù)生產(chǎn)工藝以及間歇式染色生產(chǎn)工藝,在一定的工藝參數(shù)條件及染化料助劑輔助下,使紡織品獲得顏色及穩(wěn)定的服役性能的加工過(guò)程1.1色質(zhì)量的數(shù)字化評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量數(shù)字化評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)在機(jī)械加工制造等領(lǐng)域相對(duì)成熟,而在顏色加工制造領(lǐng)域,雖然對(duì)織物物理化學(xué)性能、色牢度、尺寸穩(wěn)定性的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)及方法相對(duì)成熟在顏色測(cè)量方面,主流產(chǎn)品仍采用分光光度計(jì)測(cè)色方法和光電積分式測(cè)色方法實(shí)現(xiàn)。分光光度計(jì)測(cè)色方法精度高,但傳統(tǒng)的分光光度技術(shù)往往只適合對(duì)大型單色樣品進(jìn)行顏色采集,空間分辨率不高,對(duì)色織面料、印花面料和蕾絲等包含多種顏色的染色品的測(cè)量適用性較差在客戶樣本和工廠產(chǎn)品之間計(jì)算顏色值差異來(lái)進(jìn)行色差計(jì)算并建立色差評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)于在客戶和工廠之間獲得對(duì)產(chǎn)品顏色質(zhì)量的共同認(rèn)可至關(guān)重要。色差計(jì)算涉及到顏色空間及色差公式的選取問(wèn)題、色差評(píng)價(jià)效果分類量化問(wèn)題和基于機(jī)器學(xué)習(xí)的染色品色差評(píng)價(jià)模型的建立等多個(gè)方面?，F(xiàn)有的色差評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)大都基于ISO105/A02-1993《紡織品色牢度試驗(yàn)評(píng)定變色用灰色樣卡》或GB/T250—2008《紡織品色牢度試驗(yàn)評(píng)定變色用灰色樣卡》,其主要缺點(diǎn)是色差空間和色差公式的選擇受到人為因素影響較大,評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的主觀性仍太強(qiáng)。也有學(xué)者提出了峰值信噪比在織物手感評(píng)定方法中,現(xiàn)有技術(shù)多通過(guò)綜合織物不同物理指標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn),如Howorth等紡織品質(zhì)量數(shù)字化評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)不僅有利于解決供需端的矛盾,也是染整智能制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。只有在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的智能制造,才有可能適應(yīng)染整制造小批量、多品種的發(fā)展需求。1.2工序中方質(zhì)量監(jiān)控手段的缺失染整裝備現(xiàn)有在線監(jiān)控技術(shù)多以實(shí)現(xiàn)某個(gè)工藝參數(shù)的最優(yōu)化控制為目標(biāo),而與工序或產(chǎn)品的最終質(zhì)量指標(biāo)要求相脫節(jié)。工藝參數(shù)的準(zhǔn)確控制只是確保產(chǎn)品質(zhì)量的必要條件之一,而當(dāng)布面受到油滴污染、機(jī)械劃傷、介質(zhì)黏附等物理?yè)p傷,或因纖維與染化品差異而造成上色性能變化時(shí),即使做到了各工藝參數(shù)的準(zhǔn)確控制,產(chǎn)品的最終質(zhì)量也無(wú)法確保。此類缺陷若得不到在線實(shí)時(shí)處理,勢(shì)必造成資源浪費(fèi)。而由于染整加工需經(jīng)多道工序的處理才能得到最終的顏色,上一工序中所產(chǎn)生的瑕疵往往在后續(xù)工序中方能得到放大與呈現(xiàn),質(zhì)量監(jiān)控手段的缺失所造成物料與能源的浪費(fèi)將更為嚴(yán)重。紡織品表面質(zhì)量在線監(jiān)控技術(shù)方面目前主要集中在研究各類瑕疵的自動(dòng)檢測(cè)。據(jù)統(tǒng)計(jì),紡織品瑕疵種類近百種由圖1可知,紡織品表面質(zhì)量視覺(jué)檢測(cè)云平臺(tái)和染整機(jī)械云平臺(tái)相互獨(dú)立存在。染整機(jī)械云平臺(tái)由各染整機(jī)械制造廠商搭建,平臺(tái)不僅要實(shí)現(xiàn)染整裝備過(guò)程參數(shù)的采集與控制,還需對(duì)過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ),通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析而形成相應(yīng)的專家數(shù)據(jù)庫(kù),實(shí)現(xiàn)對(duì)染整裝備的智能診斷。紡織品表面質(zhì)量檢測(cè)平臺(tái)則由機(jī)器視覺(jué)專業(yè)背景更強(qiáng)的企業(yè)承建,云用戶可向平臺(tái)上傳紡織品的各類瑕疵圖像數(shù)據(jù),并對(duì)其造成原因進(jìn)行描述;而平臺(tái)則在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩分的基礎(chǔ)上形成紡織品瑕疵識(shí)別、分類與診斷算法及專家數(shù)據(jù)庫(kù)。在此構(gòu)架下,染整企業(yè)或染整機(jī)械制造商通過(guò)購(gòu)買相應(yīng)的質(zhì)量檢測(cè)服務(wù)后,即可將染整裝備上的視覺(jué)系統(tǒng)接入質(zhì)量檢測(cè)云平臺(tái),實(shí)現(xiàn)紡織品表面質(zhì)量在線檢測(cè),該數(shù)據(jù)反饋給染整機(jī)械云平臺(tái)后,實(shí)現(xiàn)以質(zhì)量控制為目的智能生產(chǎn)過(guò)程。該架構(gòu)充分展現(xiàn)了行業(yè)細(xì)分特點(diǎn),并較好地解決了染整裝備制造企業(yè)對(duì)大數(shù)據(jù)利用的困惑;同時(shí),若在紡織品表面質(zhì)量數(shù)字化評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)確立的基礎(chǔ)上,采用該架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)紡織品表面質(zhì)量在線智能測(cè)控,具有非常強(qiáng)的可操作性,是染整裝備往智能化方向發(fā)展的重要分支。2染整生產(chǎn)制造各環(huán)節(jié)間的網(wǎng)絡(luò)化集成模式隨著自動(dòng)化技術(shù)從單機(jī)控制向多機(jī)控制和工廠自動(dòng)化發(fā)展,染整企業(yè)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)量、質(zhì)量、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等信息實(shí)行在線采集和處理,并在車間或企業(yè)管理層應(yīng)用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)視、管理的需求不斷增長(zhǎng)。近年來(lái),雖然信息化系統(tǒng)在染整企業(yè)內(nèi)得到了較為廣泛的應(yīng)用,如企業(yè)資源管理(ERP)、供應(yīng)鏈管理(SCM)、客戶關(guān)系管理(CRM)、產(chǎn)品生命周期管理(PLM)、制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)、可視化數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA)、人機(jī)接口(HMI)等系統(tǒng)逐漸在行業(yè)內(nèi)普及;但是,從智能制造角度來(lái)看,還需在染整裝備單機(jī)智能化的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)各裝備之間的互聯(lián)互通互操作,并與各類信息化管理系統(tǒng)相貫通。這種網(wǎng)絡(luò)式集成應(yīng)用模式,突破了現(xiàn)有技術(shù)模式下業(yè)務(wù)流程與過(guò)程控制流程相脫節(jié)的瓶頸,既能將各生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)中由不同裝備與系統(tǒng)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流,如實(shí)時(shí)工況、設(shè)備狀態(tài)、工藝參數(shù)等,向上傳遞給MES和ERP以便記錄查詢,又能將由各信息系統(tǒng)所生成的命令流,如生產(chǎn)調(diào)度信息、工藝參數(shù)等,向下傳遞給生產(chǎn)制造裝備以控制其運(yùn)行狀態(tài),最終形成企業(yè)內(nèi)各種制造裝備之間的協(xié)同作業(yè)。從行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看,為盡快實(shí)現(xiàn)企業(yè)級(jí)的染整智能制造生產(chǎn)流程,需著重解決以下幾個(gè)問(wèn)題。2.1染整裝備硬件接口與通訊協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化中國(guó)作為全球染整機(jī)械品種最全的國(guó)家,國(guó)產(chǎn)設(shè)備的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率高達(dá)70%以上。由于缺少相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范與約束,各染整機(jī)械制造企業(yè)根據(jù)自身對(duì)設(shè)備功能的理解和創(chuàng)新進(jìn)行設(shè)備改進(jìn)與提升,使得不同廠家生產(chǎn)的設(shè)備之間,無(wú)論是通訊接口,還是通訊協(xié)議,均存有較大差異;甚至由于技術(shù)的改進(jìn),同一企業(yè)生產(chǎn)的裝備在接口和協(xié)議上也很難長(zhǎng)期保持一致。這種染整裝備網(wǎng)絡(luò)通信接口規(guī)范和數(shù)據(jù)協(xié)議的不一致性成為了制約中國(guó)染整行業(yè)向智能制造方向發(fā)展的重要瓶頸,加強(qiáng)染整裝備硬件接口與通訊協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化體系建設(shè)是實(shí)現(xiàn)染整業(yè)網(wǎng)絡(luò)化和智能化生產(chǎn)的關(guān)鍵。而OPCUA作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域內(nèi)被普遍認(rèn)可的互聯(lián)互通協(xié)議,以實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高、安全等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于設(shè)備與系統(tǒng)、系統(tǒng)與系統(tǒng)、底層與上層間的通信協(xié)議,其協(xié)議棧能保證染整裝備工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)各網(wǎng)絡(luò)層次間的融會(huì)貫通,因此該協(xié)議于2017年作為國(guó)標(biāo)頒布,被廣泛認(rèn)為是染整業(yè)向智能制造發(fā)展的基礎(chǔ)通訊協(xié)議。表1所示為各類通訊協(xié)議的技術(shù)分析對(duì)比。圖2所示為基于OPCUA通訊協(xié)議的企業(yè)級(jí)染整智能制造系統(tǒng)構(gòu)架圖。在圖2中,不符合OPCUA通訊規(guī)范的設(shè)備數(shù)據(jù)流(如采用總線通訊協(xié)議或TCP/IP通訊協(xié)議等),均通過(guò)專用網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換成符合規(guī)范所要求的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)流,并與符合OPCUA通訊規(guī)范的設(shè)備數(shù)據(jù)共同構(gòu)成設(shè)備層OPCUA服務(wù)器;而車間監(jiān)視控制層則通過(guò)相應(yīng)的OPCUA客戶機(jī)實(shí)現(xiàn)與底層設(shè)備的互聯(lián)互通,并同時(shí)形成車間層OPCUA服務(wù)器,向企業(yè)層的管理系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。由于設(shè)備層對(duì)通訊實(shí)時(shí)性要求較強(qiáng),一般在秒級(jí)以內(nèi),這是OPCUA難以確保的,這也造成染整裝備的底層控制仍將以嵌入式等類型控制器為主。因此,為促進(jìn)中國(guó)染整智能制造業(yè)的快速發(fā)展,當(dāng)以O(shè)PCUA技術(shù)為基礎(chǔ),盡早形成相關(guān)的國(guó)家與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)規(guī)范和統(tǒng)一各染整機(jī)械制造廠家所生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)據(jù)格式,這既是實(shí)現(xiàn)染整智能制造的前提與基礎(chǔ),也是染整業(yè)能否與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)成功對(duì)接的決定因素。2.2染整生產(chǎn)過(guò)程的智能控制和工藝優(yōu)化紡織品染整是過(guò)程生產(chǎn),各工段的溫度、濕度、濃度、張力等工藝參數(shù)都會(huì)影響染色的效果。正是由于紡織品的多樣性、染整生產(chǎn)工藝參數(shù)控制強(qiáng)耦合關(guān)系和質(zhì)量控制目標(biāo)的非定量性的特征,使得染整生產(chǎn)過(guò)程與石化等流程工業(yè)相比,受到的不可控制因素更多,因此采用嚴(yán)格的流程工藝參數(shù)設(shè)置和控制在紡織品染整上難以達(dá)到預(yù)期目標(biāo),而染整裝備的互聯(lián)互通以及企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的信息化流轉(zhuǎn)也僅僅構(gòu)成染整智能生產(chǎn)的基礎(chǔ)條件,還需以質(zhì)量與能源消耗為最優(yōu)化目標(biāo),通過(guò)智能調(diào)度算法實(shí)現(xiàn)科學(xué)、準(zhǔn)確、快速制定最佳工藝流程與配方,并進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整與生產(chǎn)。工藝參數(shù)對(duì)染整產(chǎn)品質(zhì)量具有決定性影響,只有對(duì)各參數(shù)影響規(guī)律的認(rèn)知,才能確保生產(chǎn)過(guò)程智能調(diào)度模型的可靠性及實(shí)用性。目前該領(lǐng)域的研究以試驗(yàn)研究為主。如Liao等總之,在染整生產(chǎn)過(guò)程智能調(diào)度方面,目前的很多研究還剛剛起步,已經(jīng)產(chǎn)品化和應(yīng)用的技術(shù)仍停留在生產(chǎn)計(jì)劃制定、訂單排產(chǎn)等水平,離最終實(shí)現(xiàn)以質(zhì)量與能源消耗為最優(yōu)目標(biāo)的智能調(diào)度生產(chǎn)仍有較大差距。通過(guò)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行跟蹤、對(duì)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)與產(chǎn)品質(zhì)量、能源消耗之間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行分析與建模,采用多Agent動(dòng)態(tài)調(diào)度方法來(lái)進(jìn)行染整生產(chǎn)過(guò)程的管控,應(yīng)是染整智能制造的重要發(fā)展方向。3并行制造模式染整智能制造在將現(xiàn)代技術(shù)融入行業(yè),實(shí)現(xiàn)染整加工提質(zhì)減排的同時(shí),還應(yīng)考慮將客戶的需求融入到智能制造生產(chǎn)過(guò)程。近年來(lái)信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展,使得染整制造業(yè)正向大規(guī)模個(gè)性化定制方向發(fā)展,過(guò)去單一的結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能應(yīng)對(duì)小批量、多品種、快速響應(yīng)的產(chǎn)業(yè)需要。網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同制造是敏捷制造、智能制造和云制造的核心內(nèi)容,其通過(guò)綜合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與信息技術(shù)的優(yōu)勢(shì),將傳統(tǒng)串行制造模式革新為并行制造模式,突破了時(shí)空間的約束,將供應(yīng)鏈內(nèi)及跨供應(yīng)鏈間的企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行、維護(hù)、管理等各環(huán)節(jié)緊密連接,有效實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品全生命周期內(nèi)資源的最充分利用。網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造是“中國(guó)制造2025”的重要目標(biāo)之一,也是染整智能制造的重要發(fā)展方向,如圖3所示為染整產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同制造架構(gòu)圖。該系統(tǒng)中將網(wǎng)絡(luò)與染整產(chǎn)品制造、設(shè)計(jì)、經(jīng)銷、運(yùn)行、維護(hù)等環(huán)節(jié)聯(lián)系起來(lái),由傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)孤島轉(zhuǎn)為網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造,將各個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)采集并輸入到全生命周期數(shù)據(jù)庫(kù)形成總知識(shí)庫(kù),通過(guò)信息技術(shù)、通信技術(shù)、傳感技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、現(xiàn)代管理技術(shù)與制造技術(shù)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)企業(yè)間的協(xié)同和各個(gè)環(huán)節(jié)資源的共享,形成邊制造邊檢測(cè)策略,實(shí)現(xiàn)制造數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與快速傳輸并及時(shí)得到分析處理從而反饋制造狀態(tài)的技術(shù)水平,針對(duì)當(dāng)前狀態(tài)實(shí)時(shí)指導(dǎo)加工,同時(shí)避免對(duì)廢品繼續(xù)加工而造成更大的損失,以此達(dá)到提高高品質(zhì)產(chǎn)品生產(chǎn)率,從而降低成本的目的。目前,受染整企業(yè)智能制造水平與規(guī)模的限制,染整網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同制造還剛剛起步;在紡織領(lǐng)域的協(xié)同制造案例,如青島紅領(lǐng)集團(tuán)、優(yōu)衣庫(kù)等,基本停留在服裝設(shè)計(jì)與加工制造層面,而尚未深入到更底層的顏色制造、花形制造等,這是由目前染整裝備數(shù)字化、智能化、信息化程度不高的現(xiàn)狀所決定的。4染整生產(chǎn)企業(yè)需要智能化、制造過(guò)程、過(guò)程數(shù)據(jù)協(xié)同